5G高频板件材料选择与多层板设计要求

1、微波高频板选材与工艺控制关键点研究四川超声5G高频板件材料选择与多层板设计要求第1页目录1不一样印制板材料DK/Df性能检测介绍2高频印制板材料选择标准3高频多层印制板设计加工要求4高频印制板加工需要特殊工艺管控5G高频板件材料选择与多层板设计要求第2页 1.1用共振腔法评定了10M-10GHz下Dk/Df：常规材料Tg140 FR-4 Dk较小改变稳定；无填料板材较FR-4次之；有填料高TgDk大改变较大；各种类型Df相同。实测常见FR-4 基材Dk/Df随频率改变：不一样频率DK有显著改变1.试验检测：Dk/Df评定5G高频板件材料选择与多层板设计要求第3页测试结果1常规FR-4板料在不一

2、样频率时，DK波动较大，不满足高频信号阻抗要求；2无卤材料在介电常数稳定性方面表现很好，能够满足第要求高频信号要求；3高频印制板材料介质损耗较常规印制板材料有大幅降低，满足高频信号放大要求；5G高频板件材料选择与多层板设计要求第4页 2.0 高频印制板材料综合性能要求 介电性能方面： 该指标是高频料参数中影响射频信号关键原因 介质损耗Df：0.008 是PCB基材介电性能基础标杆。 耐热及导热性能： 常规Fr-4板材：Tg140-180；TD：310-330。 导热系数：0.2-0.3WmK； 微波高频材料： Tg170-350；TD：310-450 导热系数：0.2-1.4WmK； 机械性能

3、方面：主要需考究层压变形、钻孔、外形机加、除胶流程等。 生产成本方面：包含板材选择 设计方案 表面处理 5G高频板件材料选择与多层板设计要求第5页2.1高频材选材评定标准：5G到来，高频板料怎样选择对高频类PCB板基材选择、评定综合考虑下述四点要求：5G高频板件材料选择与多层板设计要求第6页2.2 高频材选材评定标准损耗（1）损耗 伴随5G时代到来：当电路设计频段到达高频毫米波频段，预估和控制电路损耗变得尤为主要。 对于高频传输线及高频电路，插入损耗主要包含： 介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄露损耗几个部分，是各种损耗成份总和。 了解这些成份对于电路设计是非常有帮助。然而，高频PCB材料普通含

4、有较大体电阻所以RF泄露损耗非常小，能够忽略。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第7页2.2 高频材选材评定标准损耗2（板材厚度选择）辐射损耗 在50Ohm阻抗下微带线总插入损耗随电路工作频率和厚度改变。为防止微带线出现不想要模式（很大辐射损耗），应依据所选DK选择厚度小于某值板材。 以4350B为例，应选取1/80自由空间波长以下厚度，以到达能够忽略辐射损耗。不过薄介质因为线宽更窄，场强更高，会带来更大导体损耗。 铜箔粗糙度对于导体损耗和等效介电常数影响也更大，所以在追求更低损耗应用中应选取愈加光滑铜箔。 这一点我们将在后文给予介绍。当辐射损耗成为一个设计问题而不宜使用微带线电路时，GCP

5、W传输线能够有效降低辐射损耗。 传输线任何阻抗失配通常都会伴随一定能量辐射。在射频微波电路中阻抗失配是很常见，这和电路详细设计以及材料Dk和厚度控制亲密相关。 选择Dk和厚度严格控制材料能够将因为材料容差改变引发失配降至最小，从而减小辐射损耗。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第8页2.2 高频材选材评定标准损耗（2）图1、DK 3.66, 1oz相同材料在不一样厚度下微带线插入损耗及各组成部分对比5G高频板件材料选择与多层板设计要求第9页2.2 高频材选材评定标准铜箔粗糙度（1） 通常在PCB基材加工过程中，铜箔表面会进行糙化处理以改进其和PCB介电材料结协力。但粗糙铜箔表面会造成更高导体

6、损耗，且伴随频率升高导体损耗将显著增加，这是因为电路趋肤效应造成。普通来说，当电路工作频率对应趋肤深度小于或等于铜箔表面粗糙度时，表面粗糙度影响将变得非常显著。在毫米波频段，趋肤深度通常小于铜箔表面粗糙度，如50GHz时趋肤深度为0.30um。 标准电解铜箔表面粗糙度较高，2.2um，所展现颗粒状与轮廓更大和更深；而压延铜铜箔表面粗糙度很小，0.3um，颗粒状和轮廓非常小；而反转处理铜箔介于二者之间，1.2um。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第10页2.2 高频材选材评定标准铜箔粗糙度（2）图2、1/2oz 厚度下不一样铜箔表面粗糙度比较5G高频板件材料选择与多层板设计要求第11页2.2

7、 高频材选材评定标准表面处理（1）电路加工过程最终表面处理也会对电路损耗带来影响，尤其是在高频毫米波频段。不一样表面处理工艺会对PCB损耗产生不一样影响，对宽带、高频微波电路愈加显著。大部分PCB表面处理导电性都比铜箔导电性差。导电性越差产生导体损耗越高，从而电路插入损耗也越大。对于高频电路有许多不一样表面处理工艺可供选择，包含化学镍金(ENIG)、有机保焊膜(OSP)、化学镍钯金(ENIPIG) 以及阻焊油墨等。比如，化学镍金ENIG就是在PCB铜导体表面经过化学置换方法先镀上镍，然后在镀一层薄薄金。通常ENIG 镍厚度是5um左右，金0.2um左右，金是非常好良导体，但薄薄一层金通常会在当

8、元件焊接到PCB传输线或导线上时，被吸收到焊接点而消失。因为趋肤效应，在高频频段时电流将沿着导体表面传输，电流将完全覆盖镍层和金层。因为镍导电性比铜差，从而使用ENIG表面处理电路会比使用裸铜电路所表现插入损耗大。RT/duriod6002材料是罗杰斯企业应用于航空、卫星等高可靠性材料，而RO3003产品是与之特征基本相同商用级材料。经过在5mil RT/duriod 6002压延铜材料上使用不一样表面处理工艺制作相同微带电路，测试比较了插入损耗特征，如图4。能够看到，ENIG含有最高插入损耗，而有机保焊膜、化学沉银插入损耗基本与裸铜相当。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第12页2.2 高

9、频材选材评定标准表面处理（2）基于1/2oz压延铜5mil RT/duriod6002(RO3003)材料不一样表面处理工艺插损比较5G高频板件材料选择与多层板设计要求第13页2.2 高频材选材评定标准表面处理（3）上表反应了不一样表面处理对信号影响： 因为化学沉银厚度仅为0.2um，OSP表面膜厚也为0.2-0.5um，与裸铜靠近，对信号影响最小。不过，这类表面处理均不能满足印制板表面氧化问题，对印制板长久可靠性不利。 高要求客户不能接收。军品微波高频板件对印制板表面要求： 军品微波高频板基本采取镀金表面处理工艺。镀金工艺分为以下几个： 1）化学镀金：又称化学沉镍金；镍厚3-5um，金厚0.

10、05-0.1um；普遍用在焊接要求高，线路密度大设计； 2）化学镀厚金： 一个是镀纯金（金含量99.99%），金厚0.5-2.0um； 接地铜面普通选择0.5um；打线面2um； 一个是镀镍金（金含量99.99%），金厚0.3-2.0um； 接地铜面普通选择0.3um；打线面2um；镍普通要求低硬度亚光性对打线有利。 3）镀水金：这类工艺因为金厚薄，无详细指标要求，近年基本被淘汰。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第14页2.2高频材选材评定标准表面处理（4） GJB362B对关于金表面涂层厚度要求金厚要求：不用于焊接连接器插接区域1.3um； 焊接区域0.46um； 超声打线结合区域0.0

11、5um； 热压打线结合区域0.8um； 化学沉金（浸金）：0.05-0.23um； 镍厚要求：板边连接器2.5um； 预防形成铜锡合金阻挡层5.0um； 化学沉镍：2.5-5.0um； 5G高频板件材料选择与多层板设计要求第15页2.2 高频材选材评定标准热处理（1）热管理当高频/微波射频信号馈入PCB电路时，因电路本身和电路材料引发损耗将不可防止地产生一定热量。5G设备应用中不但使用频率升高，设备也趋于小型化，势必产生更大热量。处理好电路热管理及了解PCB热特征有利于防止因高温造成电路性能恶化和可靠性降低。热模型简单表示电路基本热模型及微带线热流剖面模型如图5所表示。在微带线电路中，顶部信号

12、平面是电路发烧源，底部接地平面是低温区域或散热平面，两平面之间填充介质材料。在热模型中，热量将从信号平面，经过材料转移到接地平面低温区域实现散热。即使实际微带线电路热量产生过程是复杂，但对于简单热模型，这么假设是能够接收。图中热流方程中k是材料热传导系统，A是发烧源面积，L是材料厚度，(TH-TL)是上下面温差。热流方程及热模型解释了选择导热系数高、厚度薄电路材料能够实现更佳散热和热量管理。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第16页2.2 高频材选材评定标准热处理（2）图5、电路基本热模型左）图是基本热流模型，右）图是微带线电路热流剖面图模型5G高频板件材料选择与多层板设计要求第17页2.2

13、 高频材选材评定标准热处理（3）热管理设计者通常会从电路效率和损耗角度出发来评定温度上升情况，不过PCB介质作为热源最近导热体却是对温升影响较大部分。如图6，我们经过仿真能够发觉，在惯用板材中，经过降低板材Df值来降低温升方法，没有选取更高导热率（TC）方法有效。尽管在不一样材料介质损耗会最终影响电路插入损耗，造成产生不一样热量，但相比较，材料导热系数对于温度改变更为显著。对于相同导热系数值情况下，比如0.4W/m/K，介质损耗Df从0.001到0.004引发温度上升仅约为0.22C/W。然而，即使Df同为0.001材料，导热系数0.2W/m/K到1.5W/m/K改变却可引发温度降低0.82C

14、/W。假如电路输入功率是50W，那么温度可降低约40C。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第18页2.2 高频材选材评定标准热处理（4）图6、仿真计算温度上升随Tc和Df改变5G高频板件材料选择与多层板设计要求第19页2.2 高频材选材评定标准热处理（5）除材料导热系数外，材料其它一些参数也对热量管理产生影响。为更加好了解PCB电路热性能相关影响原因，表7展示了基于不一样材料，不一样材料厚度、损耗因子、导热系数、铜箔粗糙度以及插入损耗电路温度改变结果。该表为对比不一样电路材料热效应提供了参考。对比1号与2号电路，二者差异是电路厚度，所以PCB材料厚度改变会造成温升差异。厚度越薄，散热路径越短

15、，相同条件下温升越低；对比2号与3号电路，二者差异主要在不一样铜箔粗糙度带来插入损耗不一样。铜箔表面粗糙度越小，插入损耗越低，温升越小；电路4材料是FR-4，该材料基本不用在微波/毫米波波段。作为例子能够看到FR-4在多个方面存在不足，如高介质损耗，导体损耗和较低导热率，从而在相同电路下含有最高插入损耗，造成温升显著增加。电路5是基于罗杰斯RT/duroid6035HTC材料，该材料含有高达1.44W/m/K导热率，含有最好导热特征，同时含有非常低损耗因子，插入损耗最低，在相同输入功率下它温升最低，非常适合于高功率微波应用。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第20页2.2 高频材选材评定标准

16、热处理（6）图7、不一样材料及厚度下热量测试对比所以，对电路热量管理要选择相对薄电路材料，同时选择高导热率、铜箔表面光滑、低损耗因子等材料特征有利于降低微波毫米波频段下电路发烧情况。 5G高频板件材料选择与多层板设计要求第21页3.0 高频材选材评定标准多层设计（1）概述： 5G技术不但要更小型化基站设备，天线尺寸也要小型化。同时，将有源电路与天线相结合有源天线系统(AAS)将作为即将到来5G网络主要组成部分。小型化设计以及有源天线系统都要求电路更多应用多层板设计。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第22页3.1 多层高频印制板材选材评定标准（1）Z轴膨胀系数Z轴热膨胀系数 通惯用于高频PC

17、B板热塑性材料是聚四氟乙烯（PTFE），可经过各种形式填料如玻璃纤维或陶瓷材料加固增强。相比热固性材料，PTFE热塑性材料通常有更加好电气性能，含有较小电气损耗，但PTFE材料Z轴热膨胀系数（CTE）都比铜高不少。在制作多层板时，当电路板经过高温时因材料与铜热膨胀系数不一样而发生不一样膨胀造成PTH（Plated Through Hole）过孔可靠性失效。 选择低热膨胀系数材料对于高频多层板应用中过孔可靠性主要性不言而喻。罗杰斯企业研究发觉，在PTFE热塑性材料中添加一些特殊陶瓷填料可改进材料热膨胀系数。兼具PTFE材料本身含有低温度特征和电气特征，这种材料非常适合于高频毫米波多层板应用。如罗

18、杰斯企业RO3000系列电路板材料，其Z轴热膨胀系数低至24ppm/C，仅需使用一个简单等离子体处理工艺就可完成高可靠性过孔；且它含有极低介质损耗（RO3003介质损耗在10GHz时仅为0.001），非常适合于高频多层板电路设计。5G高频板件材料选择与多层板设计要求第23页3.1 多层高频印制板材选材评定标准（2）其它标准 材料选择： 介电常数2.2-6.5均可，介电常数10.2纯陶瓷板不宜压合。 粘接片需要采取对应高频专用粘结片；必要时与印制板生产厂家沟通协调。 压合材料满足Z轴膨胀系数要求，必须选择相同型号板料进行压合； 需要屡次压合时，必须选择低膨胀系数材料，系数要求：X，Y方向小于20

19、ppm/为佳；Z轴方向小于50 ppm/为佳 ；详细选择能够选查阅材料膨胀系数； 选择材料还有考虑材料本身表面绝缘强度以及粘结片体积绝缘强度：如板材TC350TM仅为3.2X107；粘结片RO3006TM仅为1X105 ； 标准上：存在8mil以下间距线路或者层间介厚情况，设计均需要考虑绝缘强度标准问题，方便生产厂家有效管控。 5G高频板件材料选择与多层板设计要求第24页3.2 不一样类型多层板设计说明要求：3.2.1 混压板： 材料选择：普通选择一定陶瓷含量高频材料与高TgFr-4材料进行混压,高频材料介电常数普通3.0。原因：特氟龙材料属于热塑性，压合时热胀冷缩系数非常大，不能与Fr-4材

20、料匹配，会造成印制板严重翘曲。粘结片为常规FR-4即可。 叠层结构说明：也可采取图形标注说明 标注说明要求：1）各层介质层厚度及铜厚，误差范围；2）射频阻抗线尺寸及精度要求； 3）外形误差；5G高频板件材料选择与多层板设计要求第25页3.2 不一样类型多层板设计说明要求：3.2.2 混压板： 混压埋铜设计1：全埋 叠层结构说明:（加图） 标注说明要求：1）各层介质层厚度及铜厚，误差范围；2）射频阻抗线尺寸及精度要求； 3）外形误差；5G高频板件材料选择与多层板设计要求第26页3.2 不一样类型多层板设计说明要求：3.1 混压板： 混压埋铜设计2：半埋 叠层结构说明： 标注说明要求：1）各层介质

21、层厚度及铜厚，误差范围；2）射频阻抗线尺寸及精度要求； 3）外形误差；5G高频板件材料选择与多层板设计要求第27页3.2 不一样类型多层板叠层设计说明要求：3.2.2 纯压板整体设计说明要求： 1）各层介质层厚度及铜厚，误差范围； 2）射频阻抗线尺寸及精度要求； 3）外形误差； 4）层间对准度误差； 5）孔位误差；5G高频板件材料选择与多层板设计要求第28页3.2 不一样类型多层板设计说明要求：3.2.3 纯压板压合结构设计要求一次压合结构设计：6层8层5G高频板件材料选择与多层板设计要求第29页3.2 不一样类型多层板设计说明要求：3.2.4纯压板 2次及以上压合结构设计：孔1，孔2为盲孔5

22、G高频板件材料选择与多层板设计要求第30页3.2 多层板设计说明要求：3.2.5 纯压板背钻结构设计：孔1，孔2为背钻孔8层盲孔纯压+背钻结构图:背钻界面介质层厚度0.30mm；5G高频板件材料选择与多层板设计要求第31页3.2 不一样类型多层板设计说明要求：3.2.6纯压板 阶梯焊接结构设计；开盖层与底层粘结片厚度要求0.08mm以上；5G高频板件材料选择与多层板设计要求第32页3.3 其它参数设计要求3.3.1 线宽间距 设计要求 高频材料绝缘强度远低于Fr-4树脂，要求最小线间距6mil（绝缘强度5M）； 阻抗高频信号线宽要求：线路铜厚0.5OZ时，最小线宽6mil（线宽误差10%） 线

23、路铜厚1.0OZ时，最小线宽8mil（线宽误差10%）3.3.2 内层隔离环：要求14mil； 3.3.3 层孔到线：要求10mil；3.3.4 最小孔：DK3.0时；要求0.3mm；且满足板厚孔径6:1； DK3.0时；要求0.2mm；且满足板厚孔径8:1； 5G高频板件材料选择与多层板设计要求第33页3.3 其它参数设计要求3.3.5 压合粘结片厚度选择要求：确保层间耐压200V； 1）内层铜厚1.0OZ时，且粘结2面均匀孤立线路，粘结片厚度4mil； 内层铜厚1.0OZ时，且粘结1面均匀孤立线路，粘结片厚度3mil； 2）内层铜厚1.0OZ时，且粘结2面均匀孤立线路，粘结片厚度3mil； 内层铜厚0.0OZ时，且粘结1面均匀孤立线路，粘结片厚度2mil； 5G高频板件材料选择与多层板设计要求第34页4.1 来料有效管控4.2 线路精度确保4.3 特殊钻孔要求4.4 印制板分层质量风险警示4.5 线路结协力低质量风险警示4、高频印制板质量管控关键点及使用注意事项5G高频板件材料选择与多层板设计要求第35页4.1 高频材料控制关键点:材料需要批次管理要求： 1）高频板材供给商每批次材料出货汇报必须包含： Dk/Df、介质层厚度、基铜厚度、互调要求、基铜结协力、铜箔表面粗糙度等关键性能检测指标。 对应指标需要进行要求范围要求。 2）每批次板料需进行关键性